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鋼板彈簧懸架的模擬研究論文
在重載汽車上，鋼板彈簧作為汽車懸架的彈性元件，是汽車容易損壞的元件，其好壞決定了汽車的各種性能。鋼板彈簧在整車上不光是彈性元件，它還在工作時(shí)傳遞除垂直方向外其他方向的力和力矩，并在傳遞這些力或力矩的同時(shí)起到導(dǎo)向作用。而且當(dāng)彈簧振動(dòng)時(shí)兩板片之間的接觸、摩擦還可以充當(dāng)一定的阻尼器件，起到阻尼作用。盡管鋼板彈簧在工作時(shí)負(fù)荷高，易損壞，但鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡單，制造、維修快捷方便，所以作為重型汽車的懸架被廣泛使用。雖然自然狀態(tài)下的鋼板彈簧幾何形狀簡單，但是在其受到載荷時(shí)卻會(huì)有大變形（幾何非線性）、且板片間的接觸（狀態(tài)非線性）等多種非線性因素是非常復(fù)雜且這些因素在應(yīng)力分析是難以處理的。
1 解析法
傳統(tǒng)的鋼板彈簧分析是把它簡化為懸臂梁，運(yùn)用材料力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算分析。而實(shí)際工作狀態(tài)下的鋼板彈簧受力變形很復(fù)雜，因?yàn)榧扔写笞冃斡钟邪迤g摩擦非線性因素的影響。所以，利用解析法對鋼板彈簧進(jìn)行力學(xué)分析，必須將它簡化為具有理想的線性變形和無摩擦的力學(xué)模型。這樣就必須是假設(shè)在一定的條件下，才能建立起鋼板彈簧力學(xué)模型，且這樣的模型是過于簡單的。當(dāng)鋼板彈簧所受為垂向載荷時(shí)，實(shí)際中通常采用下面的方法進(jìn)行計(jì)算分析：
1.1 共同曲率法
該方法是前蘇聯(lián)的帕爾希洛夫斯基提出的，通常我們又稱它為展開法，它假定在彈簧變形時(shí)各板片一旦接觸便不會(huì)再分離，所以不再會(huì)有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定各簧片上的彎矩也是連續(xù)分布的。在這兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上建立模型進(jìn)行計(jì)算分析可得出各個(gè)簧片的應(yīng)力變形。很明顯，這一方法對彈簧進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候，忽略到了板片之間的摩擦，所以該方法的結(jié)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的誤差。
1.2 集中載荷法
這一方法是假定鋼板彈簧只在板端有力的傳遞，而且同樣假設(shè)在外載荷作用下板簧接觸部分一旦接觸后不再分開。這里也忽略板片之間的摩擦作用。該計(jì)算方法也是把鋼板彈簧簡化為懸臂梁模型，進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算分析中由于汽車上用的鋼板彈簧有對稱性，且裝配時(shí)固定條件也是對稱的，所以可以建立一半的模型進(jìn)行計(jì)算。
可以看出這兩個(gè)方法都必須在假定一定條件成立的基礎(chǔ)上，在不同程度和角度上對鋼板彈簧進(jìn)行了簡化。但是，這兩種方法都忽略了鋼板彈簧在實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜因素，如較大變形、摩擦和阻尼等。所以導(dǎo)致這兩種方法分析計(jì)算的結(jié)果都存在著不同程度的誤差。因此，對于鋼板彈簧實(shí)際存在的這種大變形、接觸等非線性狀態(tài)，我們采取有限元法來對鋼板彈簧的裝配預(yù)應(yīng)、剛度等進(jìn)行分析。
2 有限元法
有限元法是把無限自由度的連續(xù)體離散化，從而變?yōu)橛邢迋�(gè)單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析的方法。它的特點(diǎn)是不需作任何假設(shè)，便可模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的連續(xù)體。盡管這一方法的分析結(jié)果也是不能夠完全沒有誤差，但是可以通過選擇適當(dāng)?shù)膯卧w的形狀與數(shù)量，這樣便使得分析結(jié)果達(dá)到要求的精度。有限元分析法可以建立復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件、復(fù)雜的材料的模型。所以比較而言用有限元法計(jì)算鋼板彈簧的應(yīng)力問題，理論上更嚴(yán)密、模型更準(zhǔn)確，這樣分析結(jié)果精度更高。
2.1 鋼板彈簧的有限元建模
用ANSYS12.0建立實(shí)體模型，建模時(shí)需要注意的是，由于鋼板彈簧在裝配前就具有一定曲率半徑，是弧形而非平直的，所以要根據(jù)實(shí)際物體尺寸參數(shù)建立其三維幾何模型，本文對簡化型（不帶卷耳）的鋼板彈簧進(jìn)行分析，并且建模時(shí)忽略其中間的螺栓孔，三片鋼板彈簧選擇為同曲率。因?yàn)橹剌d汽車鋼板彈簧是對稱結(jié)構(gòu)，且在裝配過程中受載荷和約束都是對稱的，這里便可以對模型進(jìn)行簡化，所以建立鋼板彈簧的1/4模型。
2.2 定義接觸對
本次采用面-面接觸單元來模擬板簧之間的接觸，根據(jù)實(shí)際情況分別選擇合適的類型來描述接觸對的目標(biāo)面單元和接觸面單元。在指定接觸面和目標(biāo)面時(shí)，應(yīng)該特別注意的是接觸單元應(yīng)被控制不得穿透目標(biāo)面。鋼與鋼之間有潤滑接觸摩擦?xí)r，其靜摩擦系數(shù)選擇為0.1～0.12，所以本次分析各簧片之間的摩擦系數(shù)為0.1。通過Gul命令mainmenu——preproeessor——realconstant——Add——CONTA173即可對實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義。通過GUI命令mainmenu——preproeesso，——Elementtype——Add——TARGE170——options即設(shè)置關(guān)鍵字。
通過接觸向?qū)В瑢⒄麄�(gè)三片鋼板彈簧總成定義2個(gè)接觸對，每個(gè)接觸對有一個(gè)目標(biāo)面和一個(gè)接觸面。
2.3 模型約束及模型的加載
因?yàn)樗Ｐ蜑?/4模型，對稱面上的約束都相同，分析中控制三片鋼板彈簧中心截面每片彈簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模擬中心螺栓擰緊狀態(tài)下及鋼板彈簧的裝配中的應(yīng)力問題。
2.4 計(jì)算結(jié)果與分析
由上述加載后應(yīng)力學(xué)分析模型圖上的應(yīng)力分布，可直觀得出鋼板彈簧各部分應(yīng)力大小分布情況，這為應(yīng)力分析及產(chǎn)品優(yōu)化提供了依據(jù)。且從上圖可得出：加載后所受應(yīng)力最大處是第一片鋼板彈簧的端部。由于對模型的簡化較多，使得這次得出的分析結(jié)果在一定程度上會(huì)有偏差。所以，以后需深入研究建立更準(zhǔn)確模型來進(jìn)行模擬分析。
3 結(jié)語
鋼板彈簧板片之間的接觸情況是非常復(fù)雜的，且載荷變化，各片之間的接觸情況亦隨之變化。在研究分析鋼板簧力學(xué)特性時(shí)，板片間的接觸摩擦對其結(jié)果的影響不容忽視。在考慮片間接觸及其幾何非線性的情況下，利用ANSYS有限元軟件，對某三片等截面鋼板彈簧模型其滿載狀況加載下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析。需要注意的是，當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大時(shí)葉片的磨損會(huì)加速，并產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞損壞。
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